一、GPU定義及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

• 定義

圖形處理器（graphics processing unit，縮寫(xiě)：GPU），又稱顯示核心、視覺(jué)處理器、顯示芯片，是一種專門(mén)在個(gè)人電腦、工作站、游戲機(jī)和一些移動(dòng)設(shè)備（如平板電腦、智能手機(jī)等）上做圖像和圖形相關(guān)運(yùn)算工作的微處理器。

GPU使顯卡減少了對(duì)CPU的依賴，并進(jìn)行部分原本CPU的工作，尤其是在3D圖形處理時(shí)GPU所采用的核心技術(shù)有硬件T&L（幾何轉(zhuǎn)換和光照處理）、立方環(huán)境材質(zhì)貼圖和頂點(diǎn)混合、紋理壓縮和凹凸映射貼圖、雙重紋理四像素256位渲染引擎等，而硬件T&L技術(shù)可以說(shuō)是GPU的標(biāo)志。GPU的生產(chǎn)商主要有NVIDIA和AMD。

• 內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)

GPU通常包括圖形顯存控制器、壓縮單元、BIOS、圖形和計(jì)算整列、總線接口、電源管理單元、視頻管理單元、顯示界面等。

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二、GPU的構(gòu)成：微架構(gòu)

微架構(gòu)：又稱為微處理器體系結(jié)構(gòu)，是硬件電路結(jié)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)指令執(zhí)行。

制程：指GPU集成電路的密集度。在晶體管硬件數(shù)量一定的情況下，更精細(xì)的制程可以減少功耗和發(fā)熱。

核心頻率：代表GPU顯示核心處理圖形頻率大小/工作頻率，能夠反映顯示核心的性能。

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GPU微架構(gòu)構(gòu)成

流處理器單元(Stream Processor，SP)、紋理單元（Texture mapping unit, TMU)、張量單元（Tensor Core）、光線追蹤單元（RT Cores）、光柵化處理單元（ROPs）組成。

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• SP（流處理器）

是GPU最基本的單元。

流處理單元是全新的全能渲染單元，由以前的頂點(diǎn)著色器和像素著色器結(jié)合而成的新一代顯卡核心架構(gòu)，是繼Pixel Pipelines（像素管線）和Vertex Pipelines（頂點(diǎn)管線）之后新一代的顯卡渲染技術(shù)指標(biāo)。流處理單元既可以完成VS（Vertex Shader，頂點(diǎn)著色器）運(yùn)算，也可以完成PS（Pixel Shader，像素著色器）運(yùn)算，而且可以根據(jù)需要組成任意VS/PS比例，從而給開(kāi)發(fā)者更廣闊的發(fā)揮空間。

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• ROPs（光柵化處理單元）

即光柵化處理單元，表示顯示GPU擁有的ROP光柵操作處理單元的數(shù)量，它能夠?qū)?D圖形進(jìn)行幾何、設(shè)置、紋理和光柵處理。

它主要負(fù)責(zé)游戲中的光線和反射運(yùn)算,兼顧AA、高分辨率、煙霧、火焰等效果。游戲里的AA(抗鋸齒)和光影效果越厲害,對(duì)ROPs(光柵化處理單元)的性能要求也就越高,否則就可能導(dǎo)致游戲幀數(shù)急劇下降.比如同樣是某個(gè)游戲的最高畫(huà)質(zhì)效果,8個(gè)光柵單元的顯卡可能只能跑25幀.而16個(gè)光柵單元的顯卡則可以穩(wěn)定在35幀以上。

• TMU(紋理映射單元)

紋理映射單元（TMU）作為GPU的部件，它能夠?qū)ΧM(jìn)制圖像旋轉(zhuǎn)、縮放、扭曲，然后將其作為紋理放置到給定3D模型的任意平面，這個(gè)過(guò)程稱為紋理映射。紋理映射單元不可簡(jiǎn)單跨平臺(tái)橫向比較，大量的紋理映射單元是GPU性能強(qiáng)勁的必要非充分條件。

?三、GPU的構(gòu)成：API概述

API是（Application Programming Interface）的縮寫(xiě)，即應(yīng)用程序編程接口。在GPU中，API是一組定義了軟件與硬件之間通信規(guī)則和功能的接口。它提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的方式，使得開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)調(diào)用API函數(shù)來(lái)訪問(wèn)和控制GPU的功能。它們提供了豐富的圖形和計(jì)算功能，使得開(kāi)發(fā)者可以更方便地利用GPU進(jìn)行圖形渲染和計(jì)算任務(wù)。

3D API能夠讓編程人員所設(shè)計(jì)的3D軟件只需調(diào)動(dòng)其API內(nèi)的程序，讓API自動(dòng)和硬件的驅(qū)動(dòng)程序溝通，啟動(dòng)3D芯片內(nèi)強(qiáng)大的3D圖形處理功能，可以提高大幅地提高3D程序的設(shè)計(jì)效率。如果沒(méi)有API，那么開(kāi)發(fā)人員必須對(duì)不同的硬件進(jìn)行一對(duì)一的編碼，這樣會(huì)帶來(lái)大量的軟件適配問(wèn)題和編碼成本。

目前GPU API可以分為2大陣營(yíng)和若干其他類(lèi)。2大陣營(yíng)分別是微軟的DirectX標(biāo)準(zhǔn)和KhronosGroup標(biāo)準(zhǔn)，其他類(lèi)包括蘋(píng)果的Metal API、AMD的Mantle（地幔）API、英特爾的One API等。

四、GPU的構(gòu)成：蘋(píng)果Mental API和Vulkan API

Metal是Apple在2014年創(chuàng)建的接近底層的，低開(kāi)銷(xiāo)的硬件加速3D圖形和計(jì)算著色器API。它旨在通過(guò)為iOS，iPadOS，macOS和tvOS上的應(yīng)用程序提供對(duì)GPU硬件的底層訪問(wèn)來(lái)提高性能。相較于OpenGL ES，Metal減少了10倍的代碼擁擠，提供了更好的解決方案，并將會(huì)在蘋(píng)果設(shè)備中取代OpenGL。Metal也支持英特爾HD和IRIS系列GPU、AMD的GCN和RDNA GPU、NVIDIA GPU。Metal也是可以使用Swift或Objective-C編程語(yǔ)言調(diào)用的面向?qū)ο蟮腁PI。GPU的全部操作是通過(guò)Metal著色語(yǔ)言控制的。

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Vulkan是一種低開(kāi)銷(xiāo)，跨平臺(tái)的3D圖像和計(jì)算API。Vulkan面向跨所有平臺(tái)的高性能實(shí)時(shí)3D圖形應(yīng)用程序，如視頻游戲和交互式媒體。與OpenGL，Direct3D 11和Metal相比，Vulkan旨在提供更高的性能和更平衡的CPU/GPU用法。除了較低的CPU使用外，Vulkan還旨在使開(kāi)發(fā)人員更好地在多核CPU中分配工作。

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